대입 수시 논술 전형 대비 화학 논술...

화학 논술 Vol.1

- 화학Ⅰ으로 날줄 놓기 -

대입 수시 논술 전형 대비

CHAPTER 0CHAPTER 0 화학논술 따라잡기 화학논술 따라잡기 .......... 05CHAPTER 1CHAPTER 1 화학량론과 반응식 화학량론과 반응식 .......... 15CHAPTER 2CHAPTER 2 원자구조와 보어모형 원자구조와 보어모형 .......... 17CHAPTER 3CHAPTER 3 전자배치와 주기율 전자배치와 주기율 .......... 21CHAPTER 4CHAPTER 4 이온결합의 형성 원리 이온결합의 형성 원리 .......... 23

CHAPTER 5CHAPTER 5 공유결합과 쌍극자모멘트 공유결합과 쌍극자모멘트 .......... 25CHAPTER 6CHAPTER 6 분자구조와 성질 분자구조와 성질 .......... 28CHAPTER 7CHAPTER 7 탄소화합물과 그 반응 탄소화합물과 그 반응 .......... 31CHAPTER 8CHAPTER 8 산-염기와 그 반응 산-염기와 그 반응 .......... 34

CHAPTER 9CHAPTER 9 산화-환원과 그 반응 산화-환원과 그 반응 .......... 37CHAPTER 10CHAPTER 10 생체고분자의 구조와 성질 생체고분자의 구조와 성질 .......... 40

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대입 수시 논술 대비 화학 논술 - 화학Ⅰ으로 날줄 놓기 -

CONTENTSCONTENTS

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1. 2016학년도 대학별 수시 논술전형 주요사항

학 전형반영비율(%) 수능최저학력기준 주)

(자연계 일반학과 기준)논술유형

논술 학생부 서류가톨릭 논술우수자전형 50 50 국수영탐(2) 중 1개 3등급 수리/과학

건국 (서울) KU논술우수자전형 60 40 최저 없음 수리/과학경북 논술전형(AAT) 80 20 국A수B영과(2) 중 3개 합 9등급 수리/과학경희 논술우수자 70 30 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리/과학

고려 (서울) 일반전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 각 2등급 수리/과학광운 논술우수자 60 40 최저 없음 수리

단국 (죽전) 논술우수자 60 40 최저 없음 수리/과학동국 (서울) 논술우수자 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 5등급 수리/과학

부산 논술전형 80 20 국A수B영과(2) 중 2개 합 5등급 수리서강 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 각 2등급 수리

서울과기 일반전형(논술) 70 30 최저 없음 수리/과학

서울시립 논술전형*단계별 전형

100(50) (50)

최저 없음 수리

서울여 논술우수자전형 70 30 국수영탐(2) 중 2개 합 7등급 과학일반/자료해석

성균관과학인재 60 40 최저 없음 수리/과학논술우수 60 40 　 국A수B영과ⅠⅡ 중 3개 합 6등급 수리/과학

세종 논술우수자 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리숙명여 논술우수자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 언어/수(+과) 통합숭실 논술우수자전형 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리/과학아주 일반전형1(논술) 50 50 국A수B영과(2) 중 2개 합 7등급 수리

연세 (원주) 일반논술전형 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리연세 (서울) 일반전형(수시) 70 30 국A수B영과(1) 중 4개 합 7등급 수리/과학

울산 일반전형(의예과) 50 50 국A수B영과(2) 중 3개 각 1등급 수리/의학이화여 일반전형_논술 70 30 국A수B영과(2) 중 2개 합 4등급 수리인하 논술-일반 70 30 국A수B영과(1) 중 1개 2등급 수리

중앙 (안성) 논술전형 60 40 국A수B영과(1) 중 2개 합 6등급 수리/과학중앙 (서울) 논술전형 60 40 　 국A수B영과(1) 중 2개 합 4등급 수리/과학한국항공 일반학생 전형 60 40 최저 없음 수리/과학/언어

한양 (서울) 논술 50 50 최저 없음 수리

한양 (에리카)논술 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리

사회기여자 60 40 국A수B영과(2) 중 2개 합 6등급 수리홍익 (서울) 논술전형 60 40 국A수B영과(2) 중 1개 2등급 수리

[표1. 2016학년도 수시 자연계 논술전형 주요사항 요약]

주) 학별 수능최저학력기준: ‘과(2)’는 과탐 2개 과목 평균등급, ‘과(1)’은 과탐 1개 과목 등급을 반영함을 의미하며, ‘국A수B영과(2)’ 와 같이 밑줄이 표기된 경우는 ‘수학B 또는 과탐(2과목 평균)을 반드시 포함’해야 함을 의미한다.

대입 수시 논술전형 대비

Chapter 0. 화학논술 따라잡기

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학교명 전형명 모집단위 학생부 논술 수능최저학력기준 논술유형

가톨릭 논술우수자전형 의예과 50 50 국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리/과학/의학

경북 논술전형(AAT)의예과 20 80

국A,수B,영,과(1) 4개 합 5등급 수리/과학치의예과 20 80

경희 논술우수자

의예과 30 70

국A,수B,영,과(2) 중 3개 합 4등급 수리/과학치의예과 30 70

한의예과 30 70

고려 (서울) 일반전형 의과 학 40 60 국A,수B,영,과(2) 중 3개 합 4등급 수리/과학

부산 논술전형의예과 20 80 국A,수B,영,과(2) 중,

수B 포함 3개 합 4등급수리/의학

치의학부 20 80

성균관과학인재 의예과 서류40 60 최저 없음 수리/과학

논술우수 의예과 40 60 국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리/과학

연세 (서울) 일반전형의예과 30 70

국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리/과학치의예과 30 70

연세 (원주) 일반논술전형 의예과 30 70 국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리/과학

울산 일반전형 의예과 50 50 국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리/의학

이화여 일반전형_논술 의예과 30 70 국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리

인하 논술-일반 의예과 30 70 국A,수B,영,과(2) 중 3개 합 3등급 수리

중앙 논술전형 의학부 40 60 국A,수B,영,과(2) 중 3개 각 1등급 수리/과학

[표2. 2016학년도 수시 의학계열 논술전형 주요사항 요약]

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3. 2016학년도 대학별 수시 논술고사 유형

논술유형 해당 학

수리

비선택 일반형 과학 가톨릭 , 단국 , 동국

비선택 교과형 과학 서울과학기술 (물리, 화학), 숭실 (2개 영역 임의 출제)

선택 교과형 과학

건국 : 물/화/생 3개 중 택1, 모집단위별 과목 지정 유의경북 : 물/화/생/지 4개 중 택2경희 : 물/화/생 3개 중 택1고려 : 물/화/생/지 2 or 3개 중 택1, 모집단위별 과목 지정 유의성균관 : 물/화/생, Ⅰ/Ⅱ 6개 중 택2성균관 _과학인재: 물/화/생 3개 중 택1연세 : 물/화/생/지 4개 중 택1연세 (원주) 의예: 물/화/생/지 4개 중 택1중앙 : 물/화/생 3개 중 택1

인문 숙명여 (과학 지문 포함), 한국항공 (이학)

의학 부산 의예, 울산 의예(의학논술: 영어지문 포함 可)

과학, 의학 가톨릭 의예(과학: 물/화/생 3개 중 택1, 의학: 보건의료과학)

자료해석형 과학 서울여

수리+과학 통합형 한국항공 (공학)

수리(단독형)광운 , 덕성여 , 부산 , 서강 , 서울시립 , 세종 , 아주 , 연세(원주), 이화여 , 인하 , 한양 , 홍익

[표3. 2016학년도 학별 논술고사의 유형별 분류]

4. 과학논술의 해결전략 (단계별 접근법)

논술은 비판적 사고와 창의적 문제해결능력을 기반으로 한 논리적 글쓰기(서술하기)이다. 최근의 학별 논술고사는 본연의 목적과 취지를 거스르며, 교과과정을 벗어난 범위에서 출제하거나 혹은 풀이 과정과 정답이 어느 정도 정해져 있는 본고사 형식의 답안을 요구하는 문항으로 일정 부분 변질된 것이 사실이다. 그럼에도 불구하고 정형화 된 틀을 갖춘 학들은 여전히 수리ㆍ과학적 개념 및 원리 그 자체가 아닌, 그를 활용한 문제해결능력을 평가하는데 주안점을 두고 있으며, 나아가 논거의 적합성이나 추론과정의 타당성을 평가하는데 무게를 싣고 있다. 그렇다면 논술문항을 도 체 어떻게 비판적으로 읽고, 창의적으로 문제를 해결하며, 논리적으로 서술할 것인가? 물론 어렵다. 그러나 답은 의외로 간단할 지도 모른다. 거꾸로 추정해보자.

보통 논술 문제를 어렵게 여기는 이유는 다음 세 가지 중 하나 이상이 잘 안 될 경우이다.

그 첫 번째는 논제 분석이 안 되는 경우이다. 이 경우는 논제와 제시문에 한 독해력이 떨어져 논점이나 요구사항, 그리고 힌트로 주어진 제시자료를 정확히 구별하지 못한다거나, 몇몇 지시어의 개념이나 의미를 이해하지 못하여 벌어진 결과이다.

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두 번째는 교과 배경지식의 부족에 의한 것인데, 문제를 해결하기 위해 필요한 지식의 개념이 없거나 모호하여 답안으로 이끌어내지 못하는 경우이다. 이러한 경우 제시문과 논제의 핵심용어나 내용을 이해하지 못할 수 있으며, 이해되더라도 답안을 구상하는 데 있어 지식의 한계를 느끼게 된다.

끝으로 추론 능력의 부족을 지적할 수 있다. 개개의 과목별 수업을 통해 공부해온 우리 학생들은 교과별로 배운 내용을 통합하는 능력이 매우 취약하다. 더불어 결과만을 강조하는 암기된 지식만을 취함에 따라, 특정 주제를 다양한 관점에서 해석하여 연관 짓는 능력이나, 결론을 이끌어 내는 논리적 추론(증명 등의) 능력이 결여되어 있는 것이 사실이다.

이 같은 한계를 극복할 수 있는 가장 기초적인 방법은 문제 해결을 위한 체계적 방법을 고안하여 부단히 연습하는 것이라 할 수 있다.

아래에 과학논술 문제 해결을 위한 단계별 접근법을 간략히 제안해 놓았는데, 이를 토 로 여러분도 자신만의 해결전략을 터득하여 실전에 적용해 볼 수 있도록 하자.

(1) 논제의 분석⇨ 문제에 한 정확한 이해를 위해서는 논제에 한 철저한 분석이 필요하다. 논제에는 답안으로 작성해야 할 내용(논점)과 요구사항 및 조건이 제시되어 있는데, 이는 채점요소에도 반영되므로 매우 중요한 과정이라 할 수 있다. 특히 지칭된 과학 용어들은 추상적이며 함축적이므로, 이에 한 이해 정도는 결국 논제에 숨어있는 의미(즉, 출제의도)를 얼마나 정확하게 파악할 수 있느냐를 결정할 수도 있음에 유의해야 한다.

(2) 제시문의 분석⇨ 제시문은 논제와 관련 있는 내용의 자료를 제시함으로써 출제 취지 및 문제해결을 위한 실마리(근거)를 파악할 수 있도록 해준다. 즉, 논제와 아울러 출제자의 정확한 의도를 파악할 수 있는 힌트를 제공해 준다고 여기면 될 것이다. 따라서 논제와 직간접적으로 연관된 내용을 찾아 요약정리를 하고, 관련 수식 및 그림, 그래프, 도표 등을 재해석 할 수 있는 분석력이 요구된다.

(3) 해결 전략의 구상⇨ 논술은 논리적 서술이 중요하다. 논리적 서술은 근거를 통해 주장의 정당성을 확보하는 과정이다. 따라서 자신의 답안을 객관적으로 증명하기 위한 근거의 확보가 중요하다. 근거는 제시문의 내용이나 자신의 배경지식을 종합하여 마련할 수 있다. 아울러 올바른 추론의 과정을 통해 근거와 주장을 매끈하게 연결하는 과정도 필요하다.

① 논점의 수와 그 내용이 무엇인지 확인하자(논제의 분석)② 논점에 따른 조건을 파악하자(문제 풀이에 필요한 내용 파악)③ 제시문에서 제공하는 자료나 핵심어를 확보하자(문제 풀이를 위한 힌트를 찾아라)④ 논점에 따른 자신의 답안을 한 문장으로 만들어보자(주장(또는 결론) 만들기)⑤ 주장이나 결론을 뒷받침할 만한 가능한 근거를 만들자(근거 확보)⑥ 근거와 주장을 연결하는 설명을 하자(해결 전략의 완성)

(4) 답안의 개요작성⇨ 구상한 해결 전략을 설계하는 과정 또는 추론의 과정을 개략적으로 작성하는 것이 개요작성이다. 간단히 정리하면, 먼저 논점의 내용과 수를 확인하고 그 간의 유기적 연계성을 고려하여 순서를 정한 후, 자신이 구상한 해법(근거와 주장)을 논점별로 정리하는 것이다.

(5) 답안 쓰기 및 퇴고

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⇨ 개요에 따라서 답안을 쓰고 최종적으로 답안을 수정하는 과정이다.

자, 그러면 위의 해결전략을 참조하여 수능 화학Ⅰ과 연관성이 깊은 논술 예시문제를 풀어보도록 하자.

5. 수능 화학Ⅰ으로 화학논술 따라잡기

1-(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기; “금속의 반응성과 부식”

▣ 다음은 철의 부식을 방지하기 위한 방법을 활용한 예이다.

(가) ∼ (다)에 한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 로 고른 것은? [2012년 11월 고2 전국연합학력평가]

보 기ㄱ. (가)에서 아연은 철보다 반응성이 크다.ㄴ. 철의 성질을 변화시켜 부식을 방지한 것은 (나)이다.ㄷ. 도금은 (다)와 같이 수분과 산소를 차단하여 부식을 방지한다.

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄱ, ㄷ ④ ㄴ, ㄷ ⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

[정답] ⑤[출제의도] 철의 부식을 방지하기 위한 방법 이해하기[해설]ㄱ. (가)는 철보다 반응성이 큰 금속인 아연을 이용하여 철의 부식을 방지한 예이다.ㄴ. 스테인리스는 철의 성질을 변화시켜 철의 부식을 방지한 합금이다.ㄷ. 도금과 페인트칠은 부식의 조건인 수분과 산소를 차단하는 역할을 한다.

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1-(2) 논술 문항 따라잡기

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오. (2013학년도 경희 기출문제 응용)

<가> 금속은 종류에 따라 빨리 녹이 슬기도 하고 천천히 녹이 슬기도 한다. 철에 녹이 스는 것은 공기 중의 산소와 물이 철 표면에 결합하여 산화 반응이 일어나기 때문이다. 따라서 철이 공기나 물에 접촉되는 것을 막으면 산화에 의한 부식을 방지할 수 있다. 금속의 표면에 기름이나 페인트를 칠하는 것은 이 같은 원리를 응용한 것이다. 그러나 모든 금속이 녹이 슬어서 못 쓰게 되는 것은 아니다. 예를 들어, 철은 산화로 생긴 녹이 벗겨지면서 산화가 내부로 계속 진행되지만, 구리나 알루미늄의 경우 공기 중에서 생긴 산화막이 스스로를 보호하는 막으로 작용하기 때문에 더 이상 산화가 진행되지 않는다.

<나> 금속의 산화 환원 반응은 전자의 이동으로도 정의할 수 있다. 전자를 내놓는 반응을 산화 반응, 전자를 받아들이는 반응을 환원 반응이라고 하며 두 반응을 합한 것을 산화 환원 반응이라고 한다. 예를 들어, 금속이 산소와 결합하여 산화물을 만드는 반응도 산소에게 전자를 잃어 금속이 산화되고 산소는 전자를 얻어 환원되는 것으로 이해할 수 있다. 그리고 아연(Zn ) 조각을 묽은 황산에 넣으면 다음 반응식처럼 아연 이온으로 녹아들어 가면서 동시에 수소 기체를 발생시킨다.

Zn → Zn e H e → H 산화 반응에서 생겨난 전자는 환원 반응에 사용되기 때문에 두 반응은 항상 동시에 일어난다. 레몬처럼 전해질과 H 이온을 내놓는 산이 포함된 과일에 아연과 구리판을 꽂은 후 전구를 사이에 두고 전선으로 연결하면 전구를 밝힐 수도 있다. 이때 전구가 켜지는 것은 반응성이 큰 아연판에서는 산화 반응이, 구리판에서는 H 이온의 환원 반응이 일어나면서 전자의 흐름(전류)이 생기기 때문이다. 한편 알칼리 금속은 반응성이 너무 커서 실온에서 물과 격렬히 반응하여 수소를 발생시킨다. 여러 금속의 산화 반응성을 다음과 같이 이온화 경향으로 표시할 수 있다.

K≻ Ca≻Na≻Mg≻Al≻ Zn≻ Fe≻Ni≻ Sn≻ Pb≻H≻ Cu≻Hg≻Ag≻ Pt≻Au

[논제 1] 철로 만들어진 배의 선체를 산화에 의한 부식으로부터 보호하기 위해서 물에 잠기는 선체 외부에 아연 덩어리를 전기적으로 연결하기도 한다. 이 방법을 ‘음극화 보호’라고 부르고 사용된 아연을 ‘희생 음극’이라 일컫는다. 제시문 <가>와 <나>에 있는 과학적 원리를 이용하여 음극화 보호의 작동 원리를 유추하고, 아연 신에 주석(Sn), 알루미늄(Al) 또는 나트륨(Na)을 사용할 때 예상되는 결과를 각각 논술하시오.

[논제 2] 아연은 우리 몸에 필요한 원소지만 많은 양이 흡수되면 독이 될 수 있다. 미국의 일부 동전은 아연의 비율이 아주 높은데, 이 동전을 많이 삼킨 사람이 죽은 예는 이러한 아연의 독성과 관련되어 있다. 함석은 산화에 의한 철의 부식을 방지하기 위해 철 표면에 아연을 도금해 놓은 물질이다. 특히 함석의 아연 표면은 고온에서 인공적인 산화 반응으로 만들어진 탄산아연 보호층으로 덮여 있지만, 사용 기간과 방법에 따라 기계적인 마모 등으로 이 보호층이 없어지기도 한다. 함석으로 만들어진 컵을 충분히 오랜 기간 동안 오렌지 주스를 담는 컵으로 사용할 때, 컵에 생길 수 있는 화학적인 변화를 건강에 미치는 영향과 함께 논술하시오. 단, 함석판의 층구조에 생기는 변화에 따라 단계를 나누어 서술하시오.

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1-(3) 예시답안으로 확인하기

[논제 1] 반응성이 다른 두 금속이 전기적으로 연결된 상태에서 산화가 일어날 수 있는 환경에 놓이게 되면 산화 반응성이 더 큰 금속에서 우선적으로 산화로 인한 부식이 진행되고 상 금속에서는 환원 반응이 일어나 부식이 방지된다. 논제에서 제시된 아연 덩어리가 철로 만들어진 선체보다 반응성이 더 크므로 먼저 부식되어 선체를 바닷물에 의한 부식으로부터 보호하게 된다. 이러한 부식 방지법을 음극화 보호라고 부른다. 한편 희생 음극으로 사용되기 위해서는 철보다 반응성이 더 커야 한다. 따라서 반응성이 더 작은 주석은 음극화 보호에 적절하지 않다. 알루미늄은 아연보다도 반응성이 더 커서 희생 음극의 필요조건을 만족시키지만, 제시문의 설명 로 표면에 생성된 산화 보호막 때문에 자체의 산화 반응이 저해되어 음극화 보호에 부적절하다고 유추할 수 있다. 나트륨은 알루미늄과 같이 반응성 면에서 희생 음극의 필요조건을 만족하나, 제시문의 설명 로 이온화 경향이 너무 강해 물과 격렬한 반응을 하면서 소모된다. 따라서 음극화 보호에 적절하지 않다고 판단할 수 있다.

[논제 2] 산화에 따른 함석판의 단면 층 구조의 변화에 따라 다음과 같이 네 단계로 구분할 수 있다.(i) 탄산아연 층이 존재할 때: 탄산아연 층으로 인해 아연이 산성을 띄는 오렌지 주스 용액과 직접 닿지 않으므로 산화가 진행되지 않는다. 따라서 이런 단계에서 마신 주스는 아연 이온이 포함되지 않으므로 건강에 영향을 미치지 않는다고 유추할 수 있다.(ii) 탄산아연 층이 일부 벗겨졌을 때: 아연은 수소보다 반응성이 더 크므로 노출된 아연 표면에서 산화 반응이 일어나 아연 이온이 주스 속으로 녹아들어 간다. 따라서 주스와 함께 아연 이온을 과다 흡수하여 건강에 위험이 될 수 있다.(iii) 아연 층의 일부가 다 녹아 없어져 철이 노출되었을 때: 반응성이 다른 두 금속이 전기적으로 연결된 상태에서 산성 용액에 닿으면 논제(1)의 답안에서 설명한 음극화 보호 현상이 일어나게 된다. 즉, 철이 수소보다 반응성이 커서 산화될 가능성이 있지만, 반응성이 더 큰 아연이 먼저 산화되고 철은 반응하지 않는다. 결국 아연 이온이 주스로 녹아들게 되므로 여전히 건강에 영향을 미치게 된다.(iv) 아연 층이 모두 산화되었을 때: 더 이상 희생 음극으로 작용할 아연이 없으므로 철 표면이 산화되기 시작한다. (본 제시문 만으로는 주스에 녹아든 철 이온이 건강에 미치는 영향을 판단할 수 없다.)

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2-(1) 수능 문항으로 감(感) 잡기; “이온화 에너지의 경향과 반응성”

▣ 그림은 3주기 원소 A, B의 순차적 이온화 에너지()를 나타낸 것이다.

이에 한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 로 고른 것은? (단, A와 B는 임의의 원소 기호이다.) [2012년 9월 고2 전국연합학력평가]

보 기ㄱ. A에서 순차적으로 두 번째 전자를 떼어낼 때 L껍질의 전자를 잃는다.ㄴ. 바닥 상태의 전자 배치에서 홀전자 수는 A < B 이다.ㄷ. B가 산화물이 되면 BO가 된다.

① ㄱ ② ㄴ ③ ㄷ ④ ㄱ, ㄴ ⑤ ㄱ, ㄷ

[정답] ①[출제의도] 순차적 이온화 에너지 이해하기[해설]ㄱ. A는 3주기 원소이고, 가 크게 증가하므로, M껍질에 원자가 전자를 1개 가지고 있다. A에서 전자 2개를 떼어 내면 M껍질에서 1개, L껍질에서 1개의 전자를 잃는다.ㄴ. 바닥 상태에서 A는 Ne s, B는 Ne s의 전자 배치를 가지므로 홀전자는 A가 1개이고, B는 없다.ㄷ. B는 B 이온이 되므로 BO 산화물을 형성한다.

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2-(2) 논술 문항 따라잡기

※ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오. (2011학년도 연세 (원주) 의예 모의문제 응용)

<가> 위성과 지구 사이에는 상호간의 거리 의 제곱에 반비례하는 중력이 작용하며, 이 인력에 의하여 위성은 궤도 운동을 한다. 수소 원자에서 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 전자 사이에 작용하는 전기력 또한 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 인력이다. 따라서 수소 원자에서 전자의 운동에 관한 고전 모형으로서 위성 운동과 같이 전자가 핵 주위를 궤도 운동하는 모형을 고려할 수 있다. 중력만이 작용하여 특정한 궤도 반경 을 가지고 원 운동하는 위성의 에너지는 일정하며, 수소 원자의 고전 모형에서 핵과 일정거리 만큼 떨어져 원 운동하는 전자의 에너지 또한 일정하게 유지된다. 이와 같이 어떤 물체에 중력이나 전기력이 작용할 경우에는 역학적 에너지가 보존 된다. 일반적으로 일정한 힘이 작용하는 경우 힘이 한 일은 힘과 거리의 곱으로 나타나지만 중력이나 전기력과 같이 두 물체 사이의 거리에 따라 힘이 변하는 경우에는 힘( )과 거리()의 그래프에서 면적으로 나타난다. 따라서 중력이나 전기력에 의한 일은 곧 위치에너지의 형태로 전환되므로, 위치에너지()는 거리 에 따라 변하게 된다. 한편 원 운동하는 물체의 속력()은 궤도 반경()의 제곱근에 반비례하므로, 이때의 운동에너지도 결국 거리 에 따라 변하게 된다.

<나> 바닥상태에 있는 원자, 분자 및 이온으로부터 전자를 떼어내는 데 필요한 최소한의 에너지를 이온화 에너지라고 정의할 수 있다. 특히 원자, 분자 및 이온의 가장 바깥쪽 궤도에 존재하는 전자 중 하나를 떼어내어 자유전자로 완전히 분리하는 데 필요한 에너지를 1차 이온화 에너지라고 하며, 이 값의 크기는 바닥상태에 있는 원자, 분자 및 이온의 가장 바깥쪽 궤도에 존재하는 전자의 에너지와 관련이 있다. 일반적으로 1차 이온화 에너지의 크기가 클수록 더 많은 에너지가 필요하고, 양이온이 되는 것이 어려워짐을 뜻한다. 그리고 금속 원자의 경우 이온화 에너지가 작을수록 양이온이 되려는 경향이 강하므로 반응성이 크다.

금속 원자번호 전자배치 원자반지름(×m )Li 3 ss 152

Na 11 ssps 186

K 19 sspsps 227

Ag 47 sspspsdpds 144

[표] 1+ 양이온으로 이온화될 수 있는 여러 가지 금속 원소의 화학적 정보

[논 제] 이온화 되어 1+ 양이온을 형성할 수 있는 금속들은 체적으로 물과 반응하여 폭발적인 반응을 일으킬 수 있다. [표]에 제시되어 있는 금속들은 1+ 양이온을 형성하기 쉬운 화학적 특성을 가졌으나, 물과의 반응성에 있어서는 서로 차이가 있을 수 있다. 1+ 양이온을 형성할 수 있는 어떤 금속 원소 M이 물과 반응할 때의 반응식을 예측하고, [표]에 제시된 금속 원소들 간의 반응성 차이를 설명하시오.

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2-(3) 예시답안으로 확인하기

임의의 금속 M과 물의 폭발적 반응이라는 점에서 기체가 생성되는 반응임을 유추할 수 있고, 반응 생성물로서는 MOH M OH 등의 침전물 혹은 이온이 생성됨을 추론해 볼 수 있다. 따라서 아래와 같은 반응식을 제시할 수 있다.

Ms HOl → MOHs Hg

또는

Ms HOl → Maq OHaq Hg

또한, 제시문으로부터 추론된 사실, 즉 원자반경과 이온화 에너지의 관계로부터 반응성을 연관시킬 수 있다. 실제 이온화 에너지에 영향을 미치는 요소는 매우 많으나, 제시문으로부터 추론할 수 있는 것은 원자 반경에 따른 최외각 전자의 에너지이다. 따라서 이러한 유추 관계를 통하여 체적으로 화학적 성질이 비슷한 금속들은 원자 반경과 반응성이 다음과 같은 상관관계가 있음을 추론하여 제시할 수 있다. 제시문 <가>로부터 전자와 핵 간의 상호작용은 보존력인 전기력으로 생각해 볼 수 있다. 이때 전자에 작용하

는 힘은 거리에 한 함수( ∝ )로, 힘을 거리에 해 적분하면( ) 전기력에 의한 위치에너

지가 거리에 반비례함을 알 수 있다( ∝ ). 또한 원 운동하는 전자의 운동속력이 거리의 제곱근에 반비례하므

로( ∝ ), 전자의 운동에너지(

)도 거리에 반비례함을 알 수 있다( ∝

). 따라서 전기력에 의해

원자핵 둘레를 원 운동하고 있는 전자의 총 역학적 에너지는 궤도 반경에 반비례함을 알 수 있다

( ∝ ).

이러한 논리에 근거하면 원자핵으로부터 전자를 떼어내는데 필요한 이온화 에너지 또한 궤도 반경()에 반비례함을 추론할 수 있다. 표에 제시된 금속 원소 Li Na K Ag는 궤도 반경이 Ag LiNaK 순이므로 1차 이온화 에너지는 Ag LiNaK 순 임을 유추할 수 있다. 제시문에서 1차 이온화 에너지가 작을수록 금속의 반응성이 커진다고 하였으므로, 결과적으로 금속의 반응성은 KNa Li Ag 순이 됨을 추론할 수 있다.

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연소분석과 화학식(량)1

▣ 다음 제시문을 읽고 문제에 답하시오.

<가> 원자나 분자와 같이 작은 입자들의 많은 수량을 나타내기 위해서 필요한 단위를 ‘몰’이라고 한다. 1몰은 ×개 입자의 집단이며, 이 수를 아보가드로수라고 한다. 분자의 몰수를 알면 그 분자를 구성하고 있는 원자의 몰수도 알 수 있다. 화학반응식에서 각 물질의 계수 비는 반응에 관여한 물질의 몰수 비를 의미한다. 유기 화합물을 연소시킬 때 생성되는 이산화탄소와 물의 질량을 측정하면 탄소, 수소, 산소의 성분 질량비를 알아낼 수 있다. 각 성분의 질량을 알게 되면 각각의 질량 값으로부터 성분 원자 개수의 비율을 가장 간단한 정수비로 나타낸 식을 실험식이라고 한다. 화합물의 분자량을 측정하면 실험식에 정수를 곱한 식인 분자식을 구할 수 있다.

<나> 물질 사에는 광합성이나 단백질 합성과 같이 작은 분자 물질은 큰 분자 물질로 합성하는 동화 작용과, 세포 호흡과 같이 큰 분자 물질은 작은 분자 물질로 분해하는 이화 작용이 있다. 세포 호흡은 세포 내에서 단계적으로 천천히 진행되는 효소 반응이며, 세포 내 유기물이 지닌 화학 에너지를 전자 전달 과정을 통해 ATP에 저장한다. 1몰의 ATP가 ADP와 인산염(P)로 분해될 때 kcal의 에너지를 생산할 수 있다. 이러한 세포 호흡 과정의 에너지 효율은 유기물의 이화 작용에서 ATP에 저장된 에너지를 해당 유기물의 동화 작용에서 사용된 에너지로 나눈 값이다.

[논 제] 화합물 A는 탄소, 수소, 산소로만 이루어져 있으며, 동화 작용으로 1몰을 합성하는 데 kcal의 에너지가 필요하다. 세포 호흡을 통해 화합물 A g이 완전히 산화되어, 이산화탄소 g과 물 g이 형성되고, ADP 19몰이 ATP로 전환되었다. 화합물 A의 분자식이 실험식의 6배일 때, 화합물 A의 분자량과 이 반응의 에너지 효율을 구하는 과정을 제시문에 근거하여 논리적으로 설명하시오. (단, C H O의 원자량은 각각 g몰, g몰, g몰이다.)


Chapter 1. 화학량론과 반응식

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반응식과 화학량론2


<가> 질량수 12인 C 원자의 질량을 12로 정하고, 이를 기준으로 하여 나타낸 원자들의 상 적인 질량을 원자량이라 한다. 원자량은 상 적인 값이므로 단위가 없으며 탄소 원자량은 12, 수소 원자량은 1, 산소 원자량은 16, 구리 원자량은 64이다.

<나> 아보가드로 법칙에 의하면 같은 온도, 같은 압력에서 같은 부피 속에는 기체의 종류에 관계없이 같은 수의 분자가 들어 있다. 0℃, 1기압에서 모든 기체 1몰의 부피는 22.4L이며, 그 부피 속에는 ×개의 기체 분자가 들어 있다.

[논 제] 메탄올(CHOH) 8g을 산소 기체 36g과 완전 연소 반응시킨 후, 생성된 이산화탄소와 수증기 및 반응 후 남은 산소 기체로 이루어진 기체 혼합물을 얻었다. 이 혼합물에서 수증기를 흡착제를 이용하여 제거한 후, 이산화탄소와 산소로만 이루어진 기체 혼합물을 얻었다. 0℃, 1기압에서 이 기체 혼합물의 밀도를 g/L 단위로 추론하시오.

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반응의 양적 관계 (종합)3


<가> 최근 CNG 버스의 폭발사고 발생으로 천연가스에 한 관심이 커지고 있다. 천연가스는 지하에 가스형태로 매장되어 있는데 이를 기압 하에서 -161℃까지 냉각하여 액화시키면 부피가 약 1/600로 줄어든다. 이렇게 액화된 천연가스를 LNG(Liquefied Natural Gas)라고 하며 그 주성분은 메테인(CH)이고 약간의 에테인(CH)이 섞여 있다. 이렇게 부피가 줄어든 LNG는 초저온 탱크에 저장되어 생산지로부터 해상운송이 가능해진다. 소비지에서 LNG를 기화시킨 후 상온에서 200기압 이상으로 압축시킨 천연가스가 바로 CNG(Compressed Natural Gas)이다. 액화석유가스(LPG: Liquefied Petroleum Gas)는 유전에서 원유를 채취하거나 정제할 때 나오는 탄화수소를 상온에서 5기압 정도의 비교적 낮은 압력을 가하여 액화시킨 것으로 주성분은 프로페인(CH)과 부테인(CH)이다. LPG는 이처럼 약간만 가압하면 쉽게 액화시켜 기체상태일 때의 부피보다 약 1/250로 줄일 수 있으므로 간편하게 압력용기에 담아 운반할 수 있다. CNG나 LPG는 휘발유나 경유에 비해 연소 시 환경오염의 주범인 황산화물, 질소산화물 등의 배출이 거의 없을 뿐 아니라 1몰의 메테인, 에테인, 프로페인, 부테인을 완전 연소시키면 각각 213, 373, 531, 688 kcal의 높은 에너지를 방출하므로 시내버스나 택시의 차량연료로 널리 사용되고 있다.

<나> 고체나 액체와 달리 기체는 그들의 화학적 구성과 관계없이 매우 유사한 물리적 거동을 나타낸다. 일정한 온도와 부피에서 기체가 용기에 미치는 압력은 기체의 종류에 관계없이 용기 내 기체분자의 수에 비례하며 혼합기체에 의한 전체 압력은 각 성분기체들이 나타내는 압력의 합과 같다. 예를 들어, 상온에서 어떤 용기에 동일한 몰수의 메테인과 에테인으로만 구성된 혼합기체가 들어 있는데 그 용기의 내부압력이 2기압이라면 용기에 메테인과 에테인이 미치는 압력은 각각 1기압이 되는 것이다. (분자 1몰은 분자 ×개이고, 분자량은 분자 1몰의 질량의 그램수이다.)

[논 제] 메테인과 에테인으로만 구성된 혼합기체가 부피가 변하지 않는 어떤 용기에 2기압의 압력을 가하고 있다고 하자. 이 혼합기체를 모두 완전 연소하여 생성된 이산화탄소만을 모두 모아서 같은 온도에서 진공의 동일한 용기에 포집하였더니 그 용기에 미치는 압력이 2.5기압이었다면 원래 혼합기체에서 메테인과 에테인의 몰수비(메테인의 몰수 : 에테인의 몰수)는 얼마인지를 밝히고 풀이과정을 기술하여라. 그리고 지구온난화의 측면에서 볼 때, CNG와 LPG 중 어느 것이 더 친환경적인 연료인지를 연소 시 발생하는 에너지와 이산화탄소 배출량을 고려하여 판단하고 그 이유를 설명하여라.

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보어 모형과 에너지 준위1

▣ 아래 그림은 수소 원자의 발광 스펙트럼이다.

(1) 수소 원자의 발광 스펙트럼은 백열등이나 태양빛처럼 연속 스펙트럼이 아니고 선 스펙트럼으로 관찰된다. 이러한 관찰에서 수소 원자의 내부 구조에 관하여 어떤 정보를 얻을 수 있는가?

(2) 위의 스펙트럼에서 관찰되는 빛은 어느 파장영역이며 어느 계열의 전자전이로 인하여 발생되는가?

(3) 위의 그림에서 관찰된 4개의 파장 중에서 해당되는 바닥상태와 들뜬상태 사이의 주양자수(n)의 차이가 가장 적은 것은 어느 것인가?

(4) 위의 스펙트럼에서 파장이 짧아질수록 스펙트럼 간격이 좁아지는 이유는 무엇인가?


Chapter 2. 원자구조와 보어모형

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보어 모형과 전자 전이2


<가> 1913년 보어(Bohr)는 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명하기 위해 다음의 두 가지 가설에 기초한 새로운 원자 모형을 제안하였다. 첫째, 원자핵 주위의 전자는 특정한 에너지를 가진 원형 궤도를 따라 빠르게 원운동하고 있다. 이 궤도를 전자껍질이라 한다. 전자껍질은 핵에서 가장 가까운 것부터 K , L , M , N , ... 껍질이라고 부르며, 각 궤도가 가지는 에너지 준위는 다음과 같다.

HJ ⋯

<보어의 원자 모형> 여기서 은 주양자수를 의미하고, H는 리드버그(Rydberg) 상수를 나타낸다. 둘째, 전자가 같은 궤도를 돌고 있을 때는 에너지를 흡수하거나 방출하지 않으나 에너지 준위가 다른 궤도로 이동할 때는 두 궤도의 에너지 준위 차이만큼 에너지를 흡수하거나 방출한다.

<전자의 전이와 에너지 출입 관계>

<나> 수소 원자의 선 스펙트럼이 불연속적으로 나타나는 것은 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 이동할 때 방출되는 에너지가 불연속적이기 때문이다. 수소 원자의 선 스펙트럼 중 가시광선 영역에서 나타나는 한 무리의 선 스펙트럼을 발머(Balmer) 계열이라고 한다. 발머 계열의 에서 로 전자가 이동할 때 내어놓는 빛이 파장 656.3 nm의 붉은색 선 스펙트럼이다. 자외선 영역에 나타난 것을 라이먼(Lyman) 계열, 적외선 영역에 나타난 것을 파셴(Paschen) 계열이라고 한다.

▣ 수소 원자에 한 보어의 이론은 한 개의 전자를 가지는 이온의 스펙트럼 분석에도 매우 유용하다. 일반적으로 단일 전자 입자에 한 에너지 준위는 핵전하 , 주양자수 에 해서 다음과 같이 나타낼 수도 있다.

H

J H Rydberg 상수단, 계산 과정에 필요한 상수는 다음을 참고하시오.

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• 플랑크(Planck) 상수, × Jㆍs• 빛의 속도, × ms로 한다.

[논제 1] 수소 원자의 방출 스펙트럼 중 라이먼(Lyman) 계열에서 방출되는 가장 짧은 파장 의 에너지가 × J이라면, 가장 긴 파장 의 에너지(J )는 얼마인지 구하시오.

[논제 2] 다음은 전자기파의 연속 스펙트럼을 나타낸 것이다.

수소 원자의 방출 스펙트럼 중 하나가 약 ×cm의 파수( )에서 나타났다면, 이는 어떠한 전자 전

이 양상을 나타내는 것인지 설명하시오.

[논제 3] 바닥상태에 있는 He의 이온화 에너지(Jmol )를 구하시오. 또한 Li의 전자를 오비탈로 들뜨게 하는데 필요한 빛 에너지의 파장을 구하시오. 단, 아보가드로 수()는 ×개 이다.

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전자 배치와 안정성1

▣ 철(Fe )은 전자를 잃고 양이온이 될 때, 주로 가와 가의 두 가지 산화수를 갖는다. Fe과 Fe의 전자 배치를 제시하고, 자연 상태에서 철의 산화물은 주로 FeO로 산출되는 이유를 설명하시오.

전자 배치와 전자친화도2

▣ 다음의 전자 친화도 관련 도식을 참고하여, 전자 친화도의 경향성에 해 논하시오.


Chapter 3. 전자배치와 주기율

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전자 배치와 이온화에너지3


<가> 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있으며, 원자핵과 전자는 서로 끌어당기는 인력이 존재한다. 최외각 전자껍질에 있는 전자는 안쪽 전자껍질에 있는 전자보다 핵전하에 끌리는 효과가 적다. 이것은 안쪽 전자껍질의 전자와 상호작용으로 가려지는 효과가 있기 때문이다. 이와 같이 전자가 실제로 느끼는 핵전하를 유효 핵전하라고 부른다. 주기율표상에서 같은 주기일 경우 전자껍질의 수는 변화가 없으나 양성자 수가 증가하므로 유효 핵전하는 증가한다.

<나> 원자 내에서 원자핵과 전자사이에 서로 끌어당기는 인력이 존재하므로 전자를 떼어 내려면 에너지가 필요하다. 기체 상태의 원자 1몰로부터 전자 1몰을 떼어 내어 이온으로 만드는 데 필요한 에너지를 제1이온화 에너지(E1)로 정의한다. 중성 원자에서 2개 이상의 전자를 순차적으로 떼어 낼 때 필요한 에너지는 제2이온화 에너지(E2), 제3이온화 에너지(E3) 등이라 하며, 이를 순차적 이온화 에너지라고 한다. 금속은 전자를 내어놓고 양이온이 되려는 성질이 있다. 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs)은 전자를 하나 내어놓고 1가의 양이온으로 쉽게 이온화된다. 알칼리 금속의 제1이온화 에너지는 Li 금속이 가장 크고 족의 아래로 갈수록 감소하는 경향을 보여준다. 이것은 같은 족에서의 이온화 에너지는 유효 핵전하 보다는 원자의 크기가 더 큰 영향을 준다는 것을 의미한다.

[논제 1] 등전자 계열(isoelectronic series)이란 동일한 전자를 갖는 모든 이온 그룹을 말한다. 다음은 10개의 전자를 가지며, 각 이온을 원자 번호가 증가하는 순서로 나열한 등전자 계열이다.

O F Na Mg 위의 이온들을 이온 반지름이 큰 것부터 차례로 나열하고, 그렇게 나열한 이유를 제시문 <가>을 근거로 설명하시오.

[논제 2] 13족인 알루미늄은 전자 배치가 이다. 중성 원자인 알루미늄의 순차적 이온화 에너지 E1, E2, E3, E4의 크기는 어떻게 변화되는지를 제시문을 근거로 아래의 그래프를 이용하여 그 경향을 그림으로 나타내고, 이유를 설명하시오 (가장 급격한 이온화 에너지 변화를 보이는 구간도 언급하여야 함).

[논제 3] 주기율표에서 2주기에 있는 15족에 속한 질소(N)과 16족에 속한 산소(O )의 제일 이온화 에너지()는 각각 kJmol과 kJmol이다. 제 3주기에 있는 15족에 속한 인(P )과 16족에 속한 황(S)의 이온화 에너지 값의 크기를 제 2주기에 속한 원소와 비교하여 예측하고 그 이유를 논하시오.

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이온 결합의 형성 원리1

▣ 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

<제시문> 양이온과 음이온 사이의 거리가 가까워질수록 두 이온 사이에 작용하는 인력에 의해 에너지는 점차 감소한다. 그러나 두 이온이 계속 접근하여 거리가 너무 가까워지면, 두 이온의 전자구름이 겹쳐지게 되고 핵과 핵 사이의 반발력이 커지므로 에너지는 증가하여 불안정한 상태가 된다. 오른쪽 그림과 같이 양이온과 음이온은 인력과 반발력이 균형을 이루어 가장 낮은 에너지 을 가지는 거리 에서 가장 안정한 상태가 되며 이온 결합을 형성한다. 이온성 고체 화합물에서 반 전하를 가진 이온들의 배열에서 오는 안정도의 크기를 격자 에너지 라고 한다. 격자 에너지란 이온성 고체 화합물 1몰의 모든 이온을 기체 상태의 이온으로 완전히 분리해 내는데 필요한 에너지이다. 염화나트륨NaCl을 예로 들면, 염화나트륨 고체를 계속 팽창시켜 각 이온 간 거리가 무한 로 되어 모든 이온들을 완전히 분리시킬 때까지 필요한 에너지는 kJmol 이고, 이것이 염화나트륨의 격자 에너지 값이다.

NaC ls → Nag C l g kJmol 격자 에너지 크기는 이온의 전하량과 크기, 고체 내 이온의 정렬 방식에 따라 결정된다. 격자 에너지는 근사적으로 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 과 는 각각 두 이온의 전하량이며, 은 두 이온의 결합 거리이고, 는 양의 상수이다.

[논 제] 위 그림의 실선은 염화나트륨NaCl에 한 두 이온 사이의 거리 에 따른 에너지 의 변화를 나타낸 것으로 가장 안정한 상태에서의 거리와 에너지는 각각 과 이다. 염화마그네슘MgCl 과 산화마그네슘MgO 에 하여 가장 안정한 상태에서의 거리와 에너지를 각각 , 라 할 때, 위 그림과 같은 좌표평면 위에 세 점 (, ), (, ), (, ) 의 상 적인 위치를 개략적으로 표시하고 그 이유를 격자 에너지를 이용하여 설명하시오. (세 화합물에 한 상수 는 모두 같고, 각 이온들이 멀리 떨어져 있을 때의 에너지는 모두 동일하다고 가정한다.)


Chapter 4. 이온결합의 형성 원리

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이온 결합 물질의 안정성2


<제시문> 금속성이 큰 원소 중의 하나인 1족의 나트륨(Na)과 비금속성이 큰 17족이 염소(Cl )는 이온결합을 통하여 염화나트륨을 형성하게 된다. 나트륨 원자는 비교적 이온화 에너지가 작으므로 전자 1개를 잃고 쉽게 양이온이 나트륨 이온(Na)을 형성하고, 반면 전자 친화도가 큰 염소 원자는 전자를 1개 얻어 음이온인 염소 이온(Cl)이 된다. 이렇게 생성된 Na와 Cl가 만나면 전기적 인력을 최 화하고 같은 전하를 띠는 이온들끼리의 반발력을 최소화하는 방향으로 배열되어 아래 그림과 같은 규칙적인 결정 구조를 형성하게 된다.

[논제 1] Na의 제일 이온화 에너지는 kJmol이고, Cl의 전자친화도는 kJmol이다. 아래에 제시한 반응에서 에너지의 흡수 또는 방출에 해 논하시오.

Nag Clg → Nag Clg

[논제 2] NaCl 이온 결정의 안정성에 해 위 (1)의 결과와 비교하여 논하시오.

[논제 3] 이온결합으로 고체 물질이 생성될 때에 제시문의 그림처럼 기체 상태의 양이온과 음이온들이 반발력을 최소화하는 방향으로 3차원적으로 규칙적으로 반복되어 결정 구조를 형성하게 된다. 이온 결합 화합물이 생성될 때 한 쌍의 양이온과 음이온이 결합되는 것보다 수없이 많은 이온쌍들이 3차원적으로 배열되어 결합되는 것이 유리한 이유를 에너지적인 관점에서 기술하시오.

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공유결합 에너지의 활용1


탄화수소란 탄소화합물 중에서 탄소와 수소만으로 이루어진 물질을 말한다. 이 중 탄소 사이의 결합이 단일결합으로만 이루어진 것은 포화 탄화수소, 이중결합이나 삼중결합이 포함된 것은 불포화 탄화수소이다. 우리는 일상생활에서 사용하고 있는 부분의 에너지를 포화 탄화수소로부터 얻고 있다. 예를 들면 가정용 연료로 사용하고 있는 LNG의 주성분인 메테인(CH), 자동차의 연료로 쓰이는 LPG의 주성분인 프로페인(CHCHCH) 및 부테인(CHCHCHCH) 등은 표적인 저분자량의 포화 탄화수소이다. 탄소화합물을 에너지원으로 활용하기 위해서는 가스레인지나 자동차의 내연기관 등에 의한 연소 화학반응이 필요하다. 이 반응에 의해 원자들 사이의 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성되어 다른 물질로 변하게 된다. 이때 원자들 사이의 화학결합이 끊어지기 위해서는 충분한 에너지가 필요하며, 반 로 새로운 결합이 형성될 때는 에너지가 방출된다. 따라서 화학반응 시 출입하는 에너지는 생성물질과 반응물질의 결합에너지 차이로부터 구할 수 있으며, 이 에너지 차이가 외부에서 측정 가능한 반응열이다.

반응열 = (생성물질의 결합에너지 총합) - (반응물질의 결합에너지 총합)

[논 제] 1몰의 메테인이 완전 연소되는 화학반응에서 흡수되거나 방출되는 반응열을 다음의 원자간 결합에너지 데이터를 이용하여 구하시오. 또한 계산된 반응물과 생성물의 에너지 관계로부터 반응진행에 따른 에너지 변화를 그래프로 나타내시오.

결합의 종류 C H O O OH C O결합에너지(kJmol ) 410 500 460 800


Chapter 5. 공유결합과 쌍극자모멘트

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공유결합의 세기와 이온성2


<가> 분자에서 공유 전자쌍을 끌어당기는 능력을 상 적 수치로 나타낸 것을 전기음성도라고 한다.

<나> 결합 에너지는 분자를 이루고 있는 원자 사이의 결합의 세기를 나타내는 척도로서 결합 에너지가 클수록 결합이 강하고 안정하다.

<다> 화학 결합의 종류에는 이온 결합과 공유 결합이 있으며, 공유 결합은 공유 전자쌍의 치우침이 없어 분자 내에 부분 전하가 생기지 않는 무극성 공유 결합과 전기 음성도의 차이로 인해 한쪽 원자로 공유 전자쌍의 치우침이 일어나 분자 내에 부분 전하를 갖는 극성 공유 결합이 있다. 즉 이온 결합과 무극성 공유 결합은 화학결합의 극단적인 두 유형이며, 실제의 화학 결합은 공유 결합 성질과 이온 결합 성질을 어느 정도씩 모두 가지고 있다.

<라> 다음은 몇 가지 이원자분자의 결합 에너지(kJ/mol)를 나타낸 표이다.

분자 결합에너지(kJmol ) 분자 결합에너지(kJmol )H 436 ClF 254F 155 HF 565Cl 240 HCl 429Br 190 HBr 363I 148 HI 295

[논 제] 주어진 표의 자료를 활용하여, 공유 결합 내 이온 결합 성질에 의해 공유 결합이 더욱 안정해진다는 것을 논하시오.

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쌍극자 모멘트와 극성3


원자가 공유전자쌍을 끌어당기는 능력의 척도를 전기음성도라고 한다. 공유전자쌍을 잡아당기는 능력이 가장 큰 플루오린 (F ) 원자의 전기음성도를 4.0 으로 정하고 이것을 기준으로 다른 원자들의 전기음성도를 상적으로 정하였다. 극성 공유결합을 이루고 있는 경우 전기음성도가 큰 원자 쪽이 공유 전자를 끌어 당겨서 부분음전하, 전기음성도가 작은 쪽이 부분양전하를 띠게 되는데 쌍극자 모멘트는 이렇게 분리된 전하들에 의해 생성된다. 극성 공유결합에 의해 형성된 쌍극자 모멘트의 방향은 전기음성도가 큰 원자 쪽이고 크기는 전하량과 두 전하 사이의 거리의 곱이다. 분자의 쌍극자 모멘트는 분자 내 존재하는 모든 결합의 쌍극자 모멘트들의 합이다. 쌍극자 모멘트는 분자 극성의 크기를 나타내는 중요한 척도이다.

[논 제] 플루오린 (F ) 원자의 전기음성도는 클로린 (Cl ) 보다 크지만, 클로로메테인 (CHCl ) 분자의 쌍극자 모멘트는 플루오르메테인 (CHF ) 보다 더 크다. 이유를 설명하시오. (탄소와 클로린, 플루오린의 전기음성도는 각각 2.5, 3.0, 4.0 이다.)

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전자쌍 반발원리의 이해1

▣ 다음 제시문을 읽고 각 논제에 답하시오.

<가> 다양한 분자의 성질들처럼 분자모양은 결합원자의 전자구조에 의해 결정된다. 한 분자의 구조는 원자가 껍질 전자쌍 반발(valence-shell electron pair repulsion, VSEPR)이라고 부르는 이론을 적용하여 예측한다. 이 이론은 결합 전자나 비공유 전자쌍에 의해 형성된 전자구름은 서로 반발하고 가능하면 멀리 떨어져 있으려고 하는데 이러한 경향이 각 분자들의 삼차원 모양을 결정하게 한다는 것이다. 그리고 한 분자 내에 여러 개의 극성결합이 있을 때 분자는 각 극성결합들의 알짜 합으로 인해 전체적으로 극성일 수도 있고 무극성일 수도 있다.

<나> 공유 결합 분자에서 한 원자에만 속해 있는 비공유 전자쌍은 서로 다른 원자들 사이에서 이루어지는 공유 전자쌍보다 주변의 공간을 더 차지하게 된다. 즉 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 공유 전자쌍 사이의 반발력보다 더 크게 나타난다. 그러므로 암모니아(NH) 분자는 질소 원자와 수소 원자 사이의 결합각이 메테인(CH)의 결합각 109.5°보다 약간 작은 107°인 삼각뿔형을 이룬다. 한편 물(HO ) 분자는 중심 산소 원자 주위에 공유 전자쌍 2개과 비공유 전자쌍 2개가 존재하므로, 암모니아 분자보다 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 더 크게 작용한다. 따라서 물 분자는 결합각이 암모니아의 결합각 107°보다 더 작은 104.5°인 굽은형이 된다.

[그림 1] CH NH HO의 분자 구조 비교

<나> 전기 음성도는 공유 결합을 형성하고 있는 원자가 공유된 전자쌍을 끌어당기는 정도를 나타낸다. 전기 음성도가 클수록 원자는 전자를 더 세게 묶어 두려고 한다. 화학 결합이 형성될 때 결합하는 두 원자 사이의 전기 음성도 차이로부터 생성된 화합물의 전하 분포를 예상할 수 있다. 예를 들어 그림 3과 같이 전기음성도가 같은 두 원자가 결합하면 전하가 골고루 분포되지만, 전기음성도가 다른 두 원자가 결합하면 전하가 전기 음성도가 더 큰 쪽으로 치우친다.


Chapter 6. 분자 구조와 성질

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[그림 2] 전기음성도 차가 없는 원자 간 결합과 전기음성도 차가 있는 원자간 결합에 한 전하분포

[논제 1] VSEPR 이론으로부터 메테인(CH)은 평면정사각형 구조(정사각형의 중앙에 C 원자가 놓이고 네 개의 꼭지점에 H 원자가 결합되어 있는 구조)를 취하지 않고 정사면체 구조(정사면체의 중앙에 C 원자가 놓이고 네 개의 꼭지점에 H 원자가 결합되어 있는 구조)를 취하게 된다. 따라서 두 구조에서 CH 결합길이가 동일하다면 H 원자 간의 거리의 합이 정사각형 구조보다 정사면체 구조에서 더 커야 한다. CH 결합길이는 모두 r 로 동일하다고 가정하고 정사각형 구조와 정사면체 구조에서 H 원자 간의 거리의 합을 구하여 그 크기를 비교하여라.

[논제 2] 세 원소 A B C가 있다. 이들의 전기 음성도 값은 AB C 의 순서로 커진다. A와 C는 7개의 원자가 전자를 가지고, B는 6개의 원자가 전자를 가진다. 화합물 BA BC 가 존재할 때, 두 물질의 결합각의 크기를 비교하여 설명하시오. (단, A B C 사이에는 공유결합이 존재하며 A와 C는 원자 반지름이 같다고 가정한다. 화합물 BA BC 에서 중심원자는 B이다.)

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분자 구조와 극성2


<가> 어떤 원자는 다른 원자와 전자를 공유함으로써 비활성 기체와 같이 안정한 전자 배치를 이루며 옥텟 규칙을 만족한다. 이처럼 2개 이상의 원자들이 전자쌍을 공유하면서 형성되는 화학 결합을 공유 결합이라고 한다. 2주기 원자인 N과 O의 원자가 전자 수는 각각 5개와 6개이다. 이들은 각각 암모니아(NH)와 물(HO ) 분자와 같이 옥텟 규칙을 만족하는 공유 결합 분자를 이룰 수 있다. 3주기 원자인 P와 S의 경우도 원자가 전자 수는 각각 5개와 6개로 옥텟 규칙을 만족하는 분자(PH HS)를 형성하지만 PCl SF와 같은 분자도 형성할 수 있다. PCl에서 P 원자는 10개의 전자를 공유하며, SF에서 S 원자는 12개의 전자를 공유한다. 이런 식으로 8개 이상의 전자를 갖는 분자나 이온은 확장된 옥텟 규칙이 적용되었다고 한다. 원자가 전자를 공유하면서 결합할 때 원자마다 전자를 끌어당기는 힘이 다르다면 전자쌍은 어느 한쪽으로 치우치게 된다. 이처럼 공유 결합을 형성하고 있는 두 원자 사이에 공유 전자쌍을 끌어당기는 능력을 상 적인 수치로 나타낸 것을 전기 음성도라고 한다. 폴링은 전자쌍을 끌어당기는 힘이 가장 큰 플루오린(F )의 전기 음성도를 4.0으로 정하고 다른 원자들의 전기 음성도를 상 적으로 정하였다. 전기 음성도는 같은 주기에서 원자 번호가 커질수록 체로 증가하며, 같은 족에서는 원자 번호가 커질수록 체로 감소한다. 플루오린화 수소(HF ) 분자에서 플루오린의 전기 음성도는 수소의 전기 음성도인 2.1보다 매우 크다. 따라서 전자가 플루오린에 치우친 상태로 불균일하게 존재하여 플루오린은 부분적인 음전하()를 띠고, 반 로 수소는 부분적인 양전하()를 띠게 된다. 이러한 결합을 극성 공유 결합이라고 한다. 극성 공유 결합은 원자들이 전자를 완전히 옮길 정도는 아니고 동등한 공유를 이루는 것도 아닌 중간적인 결합이다.

<나> 공유 결합 분자에서 중심 원자를 둘러싸고 있는 전자쌍은 서로 같은 전하를 띠고 있으므로 반발력이 최소가 되기 위해서는 가능한 한 멀리 떨어져 있으려고 한다. 이것을 전자쌍 반발 이론이라고 하며, 이로부터 분자의 구조와 모양을 예측할 수 있다. 전자쌍 사이의 반발력은 공유 전자쌍 사이보다 공유 전자쌍과 비공유 전자쌍 사이가 더 크고, 비공유 전자쌍 사이의 반발력이 가장 크다.

<다> 다음은 옥텟 규칙을 만족하는 아질산 이온(NO)의 두 가지 루이스 구조식을 나타낸 것이다. 두 구조는 원자의 배열은 동일하지만 전자의 배치가 서로 다르다.

이러한 종류의 루이스 구조를 공명 구조라고 하며, 보통 그림과같이 양 방향 화살표(↔)로 나타낸다. 공명 구조를 가지는 분자나 이온은 일반적으로 안정하다. 공명 구조를 가지는 표적인 분자로는 벤젠(CH), 나프

탈렌(CH)과 같은 방향족 탄화수소가 있으며, 이온으로는 탄산 이온(CO), 황산 이온(SO) 등이 있다.

[논제 1] NO와 NO는 원자 배열은 같지만 전자 배치가 다르기 때문에 두 화학종의 기하학적 구조가 다르다. 제시문에 근거하여 두 화학종의 결합각(∠ONO )의 상 적인 크기를 비교하여 설명하시오.

[논제 2] SF와 SF가 같은 농도로 용해되어 있는 벤젠 용액을 각각 준비하여 뷰렛에 부어둔다. 가느다란 용액 줄기가 떨어지도록 뷰렛 꼭지를 열어 둔 후에 (+)전하로 전된 유리 막 를 두 용액 줄기에 같은 거리로 두었다. 제시문에 근거하여 용액 줄기의 움직임이 보다 크게 관찰되는 용액은 무엇인지 설명하시오. 단, 두 분자의 타당한 기하학적 구조를 나타내어야 한다.

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탄소화합물의 구조 분석1


<가> 물 분자는 수소 (H) 원자 2 개와 산소 (O) 원자 1개로 이루어져 있으며 화학식은 HO 이다. 산소 원자와 수소 원자는 각자의 전자를 내놓아 전자쌍을 만들고, 이 전자쌍을 서로 공유함으로써 결합하고 있는데, 이러한 결합을 공유결합이라고 한다. 수소 원자와 산소 원자가 공유하는 전자쌍은 산소 원자가 수소 원자 보다 전자쌍을 더 강하게 끌어당기기 때문에 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있다. 이로 인해 산소 원자에는 부분음전하가, 수소 원자에는 부분양전하가 발생하게 되어 이 결합은 극성을 띠게 된다. 또한, 그림과 같이 물 분자는 굽은 구조로 되어 있기 때문에 각 결합의 극성이 서로 상쇄되지 않아 전체적으로 극성을 띠게 된다. 물 분자의 극성의 알짜 크기와 방향은 2 개의 O-H 결합에 의해 각각 형성된 극성의 합이다. 만약, 물 분자가 굽은 구조가 아닌 선형이라면 두 결합의 극성의 크기가 똑같고 방향이 반 이므로 서로 상쇄되어 무극성이 될 것이다. 물질의 극성은 용해도에 영향을 미친다. 일반적으로 극성 물질은 극성 물질과 무극성 물질은 무극성 물질과 잘 섞이는 경향이 있고, 극성의 크기에 따라 섞이는 정도(용해도)는 변할 수 있다.

<나> 분자식은 같으나 구조가 달라서 성질이 다른 화합물을 구조 이성질체라고 한다. 예를 들어, 에탄올과 다이메틸에테르는 모두 극성 분자로 이루어진 분자성 물질이다. 그러나 두 물질은 서로 같은 원소로 이루어져 있고 분자식은 같지만, 분자의 구조가 다르며 극성의 세기도 같지 않다. 이처럼 같은 원자로 이루어져 있어도 분자의 구조가 다르면 물질의 녹는점과 끓는점, 물에 한 용해도가 다를 수 있다.

[논제 1] 원소 분석을 통해 어떤 분자성 화합물이 C H Cl로 이루어져 있음을 알아내었다. 아래 원소 분석 장치에서 g의 시료를 완전 연소시킨 결과, 염화칼슘을 채운 관의 질량이 g 증가하였고, 수산화나트륨을 채운 관의 질량은 g 증가하였다. 또한 이 화합물의 몰질량이 gmol으로 결정되었다. 이 화합물의 실험식과 분자식에 해 논하시오. (H의 원자량은 1, C의 원자량은 12, O의 원자량은 16, Cl의 원자량은 35로 한다.)

[논제 2] 위 논제 1에서 결정된 분자의 구조 이성질체를 모두 나타내시오.

[논제 3] 위 논제 2에서 얻어진 구조 이성질체의 물에 한 용해도 크기를 비교하고, 그 이유에 해 논하시오.


Chapter 7. 탄소화합물과 그 반응

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탄화수소의 구조와 반응성2


탄소 원자 간의 결합이 모두 단일결합으로 구성된 탄화수소를 포화 탄화수소라 한다. 사슬모양 포화 탄화수소인 알케인의 일반식은 CnHn이다 (n은 탄소 원자의 수). 탄소 원자 간의 결합 중 이중결합과 삼중결합을 가지고 있는 불포화 탄화수소를 각각 알켄과 알카인이라 한다. 이중결합 하나를 가지고 있는 알켄(일반식 CnHn )은 이중결합 주변 원자들의 공간상에서의 배치에 따라 시스형과 트랜스형의 기하 이성질체로 존재할 수 있다. 아래의 화합물 A와 B는 시스형 및 트랜스형 기하 이성질체의 예이다.

CH3 CH3

H H

CH3 H

H CH3

A(시스형) B(트랜스형)

[논 제] 알켄 화합물(CH) A와 B의 혼합물을 성분별로 분리하는 방법을 제안하시오. 또한 두 화합물을 각각 충분한 양의 산소와 혼합하여 동일한 조건에서 연소시켰을 때 발생하는 열량의 크기를 비교하시오.

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탄소화합물의 치환체3


고리형 포화탄소 화합물인 사이클로헥세인(CH)은 각 탄소 사이의 결합각이 109.5˚로 칭성이 높은 입체구조를 취한다. 이 경우에 분자 안의 탄소-탄소 결합을 단지 뒤틀어 놓음으로써 다수의 입체형태가 가능해 진다. 이 가운데서 표적인 두 가지 형태는 의자 모양과 배 모양이다. 상온에서는 에너지 면에서 더 안정한 의자 모양이 압도적으로 많다. 모든 탄소결합각은 109.5˚이므로 고리는 평면구조를 벗어나 입체구조가 된다. 고리형 화합물인 포도당(CHO)도 사이클로헥세인처럼 비평면 입체구조를 가지는 분자이다. 시클로헥산과 포도당은 아래의 그림과 같이 기본골격의 구조가 비슷하지만 물에 한 용해도는 매우 다르다. 포도당은 물에 매우 잘 녹지만 사이클로헥세인은 물에 녹지 않는다.

OHO

HCH2OH

H

H

HHO

OHH

OH

H

HH

H

H

HH

HH

H

H

H

CC

CC

CC

CC

C

CC

OHO

HCH2OH

H

H

HHO

OHH

OH

H

HH

H

H

HH

HH

H

H

H

CCCC

CCCC

CCCC

CCCC

CC

CCCC

<의자모양의 사이클로헥세인> <포도당>

[논 제] 사이클로헥세인과 포도당은 기본골격은 비슷하지만 물에 한 용해도가 매우 다른 이유를 설명하시오. 만약, 포도당에서 모든 OH기의 H가 CH로 치환되어 OCH기가 되고 기본골격은 그 로 유지한다고 하자. 이 경우, 이 분자의 물에 한 용해도가 포도당과 비교해서 어떻게 될지 예상하고 그 이유를 설명하시오.

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중화반응의 양적 관계1


산의 수소이온(H)과 염기의 수산화이온(OH)이 만나 물이 생성되는 반응을 중화반응이라고 한다. 중화 반응에서 H과 OH은 같은 몰 수 만큼 반응한다. H과 OH의 반응한 몰수가 같아 모두 반응한 지점을 중화점이라고 한다. 중화 반응에서는 중화열이 발생하는데, 반응하는 H과 OH의 수가 많을수록 발생하는 열량이 크므로 온도를 통해 중화점을 측정할 수 있다. 중화점을 찾는 다른 방법으로, 전류가 흐르는 정도를 나타내는 전기 전도도를 이용할 수 있다. 용액에서는 이온들의 특성에 따라서 전기 전도도의 경향이 다르지만, 일반적으로 같은 부피의 용액일 때 이온의 수가 증가하면 전기 전도도가 증가하는 경향이 있다. 중화 반응이 진행될 때 용액 속에 존재하는 이온의 수가 변하므로 전류의 세기도 변한다. 용액의 산성이나 염기성의 세기를 쉽게 비교하기 위하여 pH 값을 사용한다. 25℃에서 중성 용액의 pH는 7이다. 염기성 용액은 pH가 7보다 크며, 14에 가까울수록 강한 염기성을 나타낸다.

▣ 다음 표는 일정량의 수산화나트륨 수용액(NaOH)에 서로 다른 부피의 염산(HCl)과 브로민산(HBr)을 혼합한 것을 나타낸 것이다.

혼합 용액 NaOH의 부피(mL) HCl의 부피(mL) HBr의 부피(mL)(ㄱ) 30 0 30(ㄴ) 30 10 20(ㄷ) 30 20 10(ㄹ) 30 30 0

이 때 각 혼합 용액 (ㄱ)~(ㄹ)에서 생성된 물 분자 수의 상댓값을 오른쪽 그림에 나타내었다. (단, 이온의 특성에 따른 전기전도도의 차이는 없다고 가정한다. NaOH, HCl, HBr은 모두 묽은 수용액이고 처음 온도는 같다.)

[논 제] 혼합 용액 (ㄱ)~(ㄹ) 중 ① pH가 가장 큰 것과 ② 온도가 가장 낮은 것 ③전기 전도도가 가장 큰 것을 각각 고르고, 그 이유에 해 논하시오.


Chapter 8. 산-염기와 그 반응

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산-염기의 정의2


루이스는 수소 이온이 관여하지 않는 반응에까지 산-염기의 정의를 확장하기 위하여, 비공유 전자쌍을 이용하여 산과 염기를 정의하였다. 즉, 루이스는 공유 결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 주는 물질은 염기, 공유결합을 형성할 수 있도록 비공유 전자쌍을 받는 물질을 산이라고 정의하였다. 루이스의 산-염기 정의는 아레니우스의 정의뿐만 아니라 브뢴스테드-로우리의 산-염기 정의보다도 범위가 더 넓다. 수소 이온(양성자)을 받을 수 있으려면 비공유 전자쌍을 가지고 있어야 하므로, 브뢴스테드-로우리 염기는 루이스 염기에 포함된다. 그러나 루이스 염기는 비공유 전자쌍을 수소 이온뿐만 아니라 다른 분자나 이온에도 줄 수 있으므로, 루이스의 염기 개념은 보다 확장된 것이다.

[논제 1] 수산화나트륨(NaOH)은 물에 녹아 강한 염기성을 띤다. 그러나 붕산(B OH)의 수용액은 염기성이 아니다. 그 이유를 화학 결합의 차이를 이용하여 설명하시오.

[논제 2] 실제로 붕산은 물에 녹아 약한 산성을 띤다. 이를 설명할 수 있는 화학 반응식을 쓰시오. (단, 붕산의 수소는 해리되지 않는다.)

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산의 세기3


<가> 수소 원자를 가진 분자의 HX 결합이 극성을 갖게 될 때, 그 분자는 수소 이온(양성자, H ＋)을 내어놓는 산으로 행동한다. HX로부터 수소 원자가 쉽게 이온화 될수록 산의 세기는 커진다. 일반적으로 두 분자의 산의 세기를 비교할 때, HX 결합의 극성이 클수록 또는 결합의 세기가 약할수록 산의 세기가 커진다. 또한, HX에서 수소 이온이 떨어져 나간 상태인 짝염기(X )의 안정성이 클수록 산의 세기가 커진다.

<나> 다음은 옥텟 규칙을 만족하는 질산 이온(NO)의 세 가지 루이스 구조식을 나타낸 것이다. 세 구조는 원자의 배열은 동일하지만 전자의 배치가 서로 다르다.

이러한 종류의 루이스 구조를 공명 구조라고 하며, 보통 그림과 같이 양 방향 화살표(↔)로 나타낸다. 공명 구조를 가지는 분자나 이온은 일반적으로 안정하다. 공명 구조를 가지는 표적인 분자로는 벤젠(CH), 나프탈렌

(CH)과 같은 방향족 탄화수소가 있으며, 이온으로는 탄산 이온(CO), 황산 이온(SO) 등이 있다.

[논제 1] 할로젠화 수소 화합물 HF HCl HBr HI는 모두 물에 녹아 이온화 하여 산으로 행동한다. 이들 화합물의 산의 세기를 비교하시오.

[논제 2] 실험실에서 소량의 수소(H) 기체를 얻고자 한다. 같은 농도와 부피의 에탄올(CHOH), 아세트산(CHCOOH), 질산(HNO) 수용액에 같은 크기의 아연 조각을 각각 넣었을 때, 반응 초기에 단위 시간 동안 가장 많은 수소 기체를 얻을 수 있는 용액은 무엇인지 제시문에 근거하여 설명하시오.

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산화수와 산화-환원1


<가> 화학반응은 화학 결합의 파괴와 생성을 통해 반응 전 물질과는 화학적 성질이 다른 물질이 만들어지는 과정을 일컫는다. 산화-환원 반응은 여러 가지 화학 반응 중의 하나이다. 예를 들어 붉은색의 구리선을 알코올램프로 가열하면 공기 중의 산소와 결합하여 점점 검은색의 물질로 변하는데, 이는 구리가 산소와 결합하여 산화구리(CuO )를 만들기 때문이다. 이와 같이 산소와 결합하는 것을 산화라고 한다. 반 로 검게 변한 구리선을 고온으로 가열하여 수소가 들어 있는 시험관에 넣으면 붉은색의 구리선으로 되돌아온다. 이는 구리와 결합하고 있던 산소가 수소와 반응하여 수증기가 되어 산화구리가 구리로 변하였기 때문이다. 이와 같이 결합된 산소를 잃는 것을 환원이라고 한다. 좀 더 넓은 의미에서 전자의 이동을 통해 산화-환원 반응을 정의할 수 있다. 즉 전자를 내놓는 반응을 산화 반응, 전자를 받아들이는 반응을 환원 반응이라고 할 수 있다. 복잡한 산화-환원 반응을 효과적으로 설명하기 위해서 산화수의 개념이 필요하다. 산화수란 전자의 교환이 완전히 일어났다는 가정 하에 한 분자 혹은 이온 결합 화합물 내에서 특정 원자가 갖게 되는 전하수를 의미한다. 각 원자의 산화수 변화를 알면 어느 원자가 산화되었는지 또는 환원되었는지 알 수 있다.

<나> 이온 결합 화합물에서는 원자의 산화수는 이온의 전하량과 같다. 예를 들어, 마그네슘이 산소와 반응하여 산화마그네슘(MgO)을 만드는 반응의 경우 마그네슘은 산소에 두 개의 전자를 주어 산화되고 산소는 두 개의 전자를 받아 환원된다. 이때 마그네슘은 산화수가 0에서 +2이 되어 산화되었고, 산소는 산화수가 0에서 –2로 되어 환원되었다.

Mg O → Mg O 공유 결합 화합물에서 원자의 산화수를 구할 때에는 전기 음성도가 큰 원자가 공유 전자를 모두 차지한다고 가정한다. 예를 들어, 수소와 산소가 결합하여 물이 생성될 때, 전기 음성도가 작은 수소는 전자를 잃고 전기 음성도가 큰 산소는 전자를 얻는다고 가정한다. 따라서 수소의 산화수는 0에서 +1이 되어 산화되고, 산소의 산화수가 0에서 –2로 되어 환원된다.

HO O → HO 그림은 화합물 내에서 각 원소가 가질 수 있는 산화수를 나타내고 있다. 비활성 기체인 8족 원소를 제외한 모든 원소는 1개 이상의 산화수를 갖는다.

[논제 1] 제시문 <나>의 그림에서 보듯이 8A족(또는 18족) 원소를 제외한 화합물 내의 각 원소는 한 개 이상의 산화수를 가질 수 있다. 다음 화합물에서 산소와 결합된 각 원소의 산화수를 적고, 산소 분자와 반응할 수 없는 화합물을 모두 찾아 그 이유를 설명하여라.

NO NO SO SO PO


Chapter 9. 산화-환원과 그 반응

그림. 화합물 내에서 각 원소의 산화수

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[논제 2] 강한 산인 염산(HCl ), 질산(HNO), 황산(HSO) 중에 산화제로 사용할 수 없는 것이 있다. 찾아서 그 이유를 설명하여라.

[논제 3] 수영장 혹은 정수장에서 물을 소독하기 위해서는 산화력이 큰 물질을 이용하는데, 표적인 경우가 염소기체를 사용한 염소 소독이다. 염소 기체(Cl)는 물(HO )과 반응하여 하이포염소산(HClO )과 염산(HCl )을 형성한다. 이 반응의 화학 반응식을 완성하고 염소 원소(Cl )의 산화수 변화를 모두 적어라. 또한, 그러한 결과로부터 염소 소독 시 실질적으로 소독 작용에 관여하는 물질이 무엇인지 답하여라.

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산화-환원 반응량론2


<가> 산화 반응은 산화수가 증가하는 반응이다. 환원 반응은 산화수가 감소하는 반응이다. 두 반응은 반드시 함께 발생한다.

<나> 산화수의 총 증가량은 산화수의 총 감소량과 같아야만 한다. 계수가 맞추어진 모든 화학 방정식은 다음 두 가지 기준은 만족하여야만 한다. 첫째, 질량 균형이 잡혀야 한다. 즉 반응물과 생성물의 원자 수가 같아야 한다. 둘째, 전하 균형이 잡혀야 한다. 즉 방정식의 좌변과 우변의 실재 전하의 총합은 서로 같다. 균형 화학식 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 되어야 한다. 균형 알짜 이온 단위 방정식에서는 각 변의 총 전하가 영이 아닐 수도 있지만, 총 전하는 반드시 방정식 양변에서 같아야만 한다.

<다> 산화-환원 반응에서 균형 방정식을 만들 때, 산성 용액에서는 H 또는 HO만 첨가될 수 있다. 염기성 용액에서, OH 또는 HO만 첨가될 수 있다.

[논제 1] 어떤 유기용재를 생산하는 공장에서 배출되는 폐수의 상당량에 헥세인올(CHCHCHCHCHCHOH)이 함유되어 있다고 하자. 헥세인올의 경우 산소(O)호흡을 하는 미생물을 이용하면 쉽게 완전 산화될 수 있다고 하는데, 이와 관련한 다음의 질문에 각각 답하시오.

(1) 헥세인올 한 분자를 CO로 완전 산화시키는 과정에서 이동하는 전자의 개수를 계산하시오.

(2) O를 전자수용체로 사용하는 미생물을 이용하여, 일정량의 헥세인올을 CO로 산화시켰다. 이 반응의 산화와 환원 반쪽반응식을 각각 나타낸 후, 전체 반응식을 완성하시오. (단순히 산소에 의한 헥세인올의 완전산화반응으로 가정할 것)

[논제 2] 황산 용액 내에서 MnO 이온은 Fe 이온을 Fe 이온으로 산화시킨다. MnO 이온 자신은 Mn 이온으로 환원된다. 이 내용을 참조하여, 산성 환경에서 M FeSO 용액 mL를 완전 산화시키는데 필요한

M KMnO 용액의 부피는 몇 mL 인지 답하시오. (단, 몰농도 용액의 부피용질의 몰수 이며, 단위는 M molL

이다.)

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지방산의 구조와 성질1


<가> 태경이는 오랜만에 아버지와 같이 동네 식당으로 삼겹살을 먹으러 외출하였다. 상온에서는 고체로 되어 있던 삼겹살의 지방 부분이 불판 위에서 녹아 액체로 변하는 모습을 본 태경이는 갑자기 한 가지 의문이 떠올랐다."아버지. 같은 기름인데 왜 삼겹살의 기름은 상온에서 고체로 존재하고 기름장의 참기름은 액체로 존재하는 것일까요?""그건 삼겹살의 기름이 녹는점이 참기름보다 높기 때문이란다.""왜 삼겹살 기름의 녹는점은 참기름이나 식용유 같은 식물성 기름보다 높을 까요?""글쎄다. 그건 …"그 이유가 궁금해진 태경이는 학 실험실에서 연구원으로 일하고 있는 삼촌을 찾아갔다."삼촌, 동물성 기름은 개 상온에서 고체인데 왜 식물성 기름은 액체로 존재할까요?" 태경이의 물음에 삼촌은 아래의 표를 태경이에게 보여주었다."태경아, 지방을 이루고 있는 지방산은 밑의 표에서 볼 수 있듯이 긴 탄화수소의 형태를 취하고 있단다. 포화성 지방산의 경우 탄소 개수가 많으면 많아질수록 점점 더 녹는점이 올라가는 것을 볼 수 있지? 그리고 탄소와 탄소 사이에 이중결합이 있는 불포화성 지방산의 경우 이중결합의 개수가 많아질수록 녹는점이 더 빨리 내려간단다.""아 그렇군요. 그럼 이제 왜 삼겹살의 기름이 참기름과 상온에서 형태가 다른지 알 것 같아요."

이름 (탄소 개수) 구조식 녹는점 (℃)

포화성 지방산

Lauric acid (12) CHCHCOOH 44

Palmitic acid (16) CHCHCOOH 63

Stearic acid (18) CHCHCOOH 70

불포화성 지방산

Oleic acid (18) CHCHCHCHCHCOOH 16

Linoleic acid (18) CHCHCHCHCHCHCOOH -5

Linolenic acid (18) CHCHCHCHCHCHCOOH -11

Arachidonic acid (20) CHCHCHCHCHCHCOOH -50


Chapter 10. 생체고분자의 구조와 성질

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<나> 수소 첨가반응의 산물로 만들어진 모조 초콜릿의 문제는 첨가 반응 과정에서 다량 함유될 수밖에 없는 트랜스 지방산이다. 이 성분은 심장병, 동맥 경화를 유발하고 간암, 위암, 장암, 당뇨병과 관련이 있는 물질이다. 과자를 부드럽게 만드는 쇼트닝 역시 수소 첨가 반응의 산물이다. 포화 지방은 혈관을 좁게 하는 나쁜 콜레스테롤 수치를 높이고 불포화 지방은 혈관을 청소하는 좋은 콜레스테롤 수치를 높이는 것으로 알고 있다. 그러나 불포화 지방이라도 트랜스 지방산은 동물성 기름 못지않게 심장에 해롭다.

<다> 불포화성 지방산에 존재하는 탄소의 이중 결합은 트랜스 형태와 시스 형태 두 가지로 존재할 수 있다. 시스 형태의 이중결합을 가진 지방산은 다음 그림과 같이 그 구조적인 특이성으로 인해 세포막에서 배열될 때 좀 더 많은 공간을 차지하게 된다.

<Elaidic acid: 트랜스형 지방산>

<Oleic acid: 시스형 지방산>

[논제 1] 위의 제시문들을 통해 동물성 기름과 식물성 기름의 지방산 조성에는 어떠한 차이가 있는지 논술하시오.

[논제 2] 트랜스 지방산과 시스 지방산의 구조적 차이에 의해 어떻게 트랜스 지방산은 불포화성 지방산임에도 불구하고 포화성 지방산과 유사하게 세포막의 유동성을 감소시키며, 심혈관계 질환을 유발할 가능성이 높은지에 하여 논술하시오.

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단백질과 DNA의 변성2

▣ 수소 결합은 자연계에서 관찰되는 다양한 자연현상이 발현되고 유지되는데 반드시 필요한 요소이다. 특히 수소 결합은 단백질, 핵산 등의 생체 분자들에 있어서도 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 다음 제시문을 읽고 논제에 답하시오.

<가> 수소 결합은 분자의 물리, 화학, 생물학적인 특성에 해 많은 것을 설명할 수 있게 해준다. 그러나 수소 결합의 본질적인 특징은 의외로 매우 간단하다. 즉, 전기 음성도가 큰 원자에 붙은 수소 원자는 주위에 있는 전기 음성도가 큰 다른 원자에 매우 강하게 끌린다는 것이다. 수소 결합의 성립요건은 수소가 끌리는 전기 음성도가 큰 원자가 비공유 전자쌍(공유결합에 참여하지 않는 전자쌍)을 가지고 있어야 한다는 것과, 기하학적인 구조로는 수소 원자가 전기 음성도가 큰 두 원자를 이은 선상에 위치하여야 한다는 것이다. 이렇게 간단한 원리의 수소 결합으로 아래에 예시된 단백질이나 핵산 등에서 일어나는 다양한 생명 현상을 설명할 수 있다.

<나> 단백질은 분자량이 크며 수백에서 수천 개의 아미노산 분자가 이어진 형태를 갖고 있다. 이러한 아미노산들이 연결된 사슬을 단백질 골격이라고 하며 단백질이 생체 내에서 작용하기 위해서는 아미노산 사슬이 감기고 접혀져서 활성화 형태의 특수한 입체 구조를 이루어야 한다. 단백질을 이러한 구조로 유지시키는 것은 단백질 골격을 이루는 아미노산의 원자들 사이에서 이루어지는 수소 결합이다. 예를 들면 부분의 단백질에서 나타나는 기본 구조인 알파 나선 구조는 이러한 수소 결합에 의해 유지된다고 알려져 있다 그리고 부분의 단백질은 50~60℃ 사이에서 변성되며 이 온도에서 수소 결합이 파괴되어 활성화 상태의 입체구조를 잃게 된다. 만약, 단백질의 수용액이 너무 뜨겁게 혹은 너무 오래 가열되지 않고 수용액을 천천히 식힌다면, 수소 결합이 다시 생성되어 아미노산 사슬이 감기고 접혀서 원래의 활성화 형태 구조로 돌아올 수 있다.

<다> 모든 생명체의 유전자는 당, 인산, 염기로 구성된 DNA로 이루어져 있다. DNA는 두 개의 평행한 사슬을 가지고 있는 사다리 모양의 분자로서 당과 인산기가 수직 방향으로 번갈아 나타난다. 양 사슬의 각 당에는 염기가 곁가지로 부착되어 있으며, 이들 염기간의 수소 결합이 이루어져 사다리의 발판 형태를 띤다. 염기는 [그림 1]과 같이 4개의 분자, 즉 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), 중 어느 한 가지가 될 수 있다. 염기쌍의 결합은 두 가지 방법이 있다. 아데닌과 티민 사이와 구아닌과 시토신 사이의 수소 결합이 그것이다. 살아 있는 세포에서 DNA 사다리는 이중 나선을 형성하며, 사슬을 따라 염기가 붙어 있는 순서는 유전적 정보를 암호화하여 저장하는 역할을 한다.

[논제 1] 위의 지문에서 언급된 DNA 이중 나선은 견고하여 용액 내에서 자유롭게 움직이지 못한다. 하지만 DNA의 용액을 가열하면 용액은 끈적한 상태에서 갑자기 물처럼 쉽게 흐르기 시작한다. 이러한 현상이 관찰되는 온도를 보통 (melting point, 녹는점)으로 표시한다. 수용액의 온도가 일때 DNA에 일어나는 현상과 얼음이 녹을 때 일어나는 현상과는 어떤 다른 점과 유사성이 있는지 구체적으로 설명하시오.

[그림 1]

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[논제 2] [그림 2]는 DNA의 전체 염기쌍 중 A-T 염기쌍의 비율과 DNA 수용액의 간의 상관관계를 나타낸다. A, T, G, C 염기들의 분자구조를 이용하여 A-T 그리고 C-G 염기쌍 사이의 수소 결합의 수를 추정하고, 이를 바탕으로 A-T 염기쌍의 비율과 측정된 과의 상관관계를 설명하시오.

[논제 3] 부분의 단백질은 50~60℃ 정도에서 변성된다. 그러나 온천이나 깊은 바다 속 열수구(해저화산활동에 의해 광물이 녹아 있는 고온의 물이 솟아오르는 곳) 근처는 물의 온도가 100℃에 가까움에도 불구하고 미생물이 살아가고 있다. 이들 지역에서의 미생물들의 단백질은 이렇게 뜨거운 환경에서 살아가기 위해 분자 수준에서 어떠한 차이점을 가지는지 설명하시오.

[그림 2]

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대입 수시 논술 전형 대비 화학 논술...

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